автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка состава и технологии получения специального модифицированного чугуна повышенной эксплуатационной стойкости для фрикционных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта

На правах рукописи

ГАБЕЦ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО ЧУГУНА ПОВЫШЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЛЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

005549443

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Филиппов Георгий Анатольевич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» (ФГУП ЦНИИчермет им. И.П. Бардина), директор Института качественных сталей

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Ушаков Борис Константинович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), профессор кафедры материаловедения

Кандидат технических наук Сапожников Сергей Алексеевич

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»), главный научный сотрудник

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения им. Императора Александра I» (ПГУПС)

Защита состоится 16 июня 2014 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д.9/23. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» (автореферат диссертации размещен на сайте ВАК РФ http://vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «12» мая 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., с.н.с. —С Н.М. Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях роста промышленного производства и увеличения грузоперевозок в Российской Федерации все большее значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одной из основных задач для решения этой проблемы является минимизация затрат на обслуживание и ремонт грузовых вагонов. В то же время значительное количество отцепов вагонов, приводящих к длительным простоям, снижению безопасности движения и частым трудоемким ремонтам, происходит по причине неисправности ходовых частей вагонов.

Так как основным узлом тележки грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических нагрузок в вертикальной и горизонтальной плоскостях, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний. Исследования, направленные на совершенствование тележек грузовых вагонов и их компонентов, являются актуальными и вытекают из первоочередных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом.

Основное внимание исследователей при этом привлекает разработка новых материалов путем оптимизации химического состава, улучшение физико-механических и трибологических свойств, совершенствование конструкции, а также прогнозирование работы фрикционного клина узла гашения колебаний в различных условиях эксплуатации.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является улучшение эксплуатационных характеристик фрикционного клина узла гашения колебаний тележки грузового вагона путем разработки специального модифицированного чугуна и способа его получения, а также совершенствование конструкции клина на основе применения разработанного материала.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ свойств и существующих способов получения специальных чугунов с заданными свойствами при использовании технологий легирования и модифицирования серых чугунов;

- получить и провести комплекс исследований вариантов модифи-цированния серого чугуна, легированного фосфором, медью, никелем, хромом, молибденом и оловом;

- разработать химический состав и технологию изготовления специального модифицированного серого чугуна с заданными свойствами, получить и исследовать образцы специального чугуна по химическому составу, структуре и механическим свойствам;

— провести испытания на износ при сухом трении образцов специального модифицированного чугуна в сравнении с серым чугуном марки СЧ35 и стали марок ЗОХГСА, 25Х, применяемых в парах трения деталей узла гашения колебаний грузовых вагонов;

— для определения прочностных свойств специального модифицированного серого чугуна разработать средствами цифрового макетирования электронную модель облегченного клина и провести инженерный анализ ее на прочность;

— изготовить физический прототип фрикционного клина из специального модифицированного серого чугуна по разработанной технологии его получения;

— провести стендовые сравнительные испытания на прочность и трибологические исследования полученного прототипа фрикционного клина и серийно применяемых клиньев из серого чугуна марки СЧ35.

Научная новизна

1. На основе аналитических исследований принципа работы, конструкции, силовых и технических параметров узла гашения колебаний тележки грузового вагона установлено влияние структуры, химического состава и механических свойств материала фрикционного клина на его прочностные и эксплуатационные характеристики.

2. В результате статистического анализа работоспособности фрикционных клиньев из серого чугуна марки СЧ25 при эксплуатации на сети железных дорог выявлена и формализована закономерность в виде зависимости износостойкости (прогнозируемого пробега клина) от его твердости.

3. На основе сравнительных исследований структуры и свойств серого чугуна марки СЧ35 различных вариантов легирования и модифицирования показано, что наиболее перспективным является легирование серого чугуна никелем и молибденом в сочетании с добавками комплексного модификатора, приводящее к получению в структуре сетчатого пластинчатого графита и металлической матрицы преимущественно перлитной структуры с присутствием игольчатого феррита и мартенсита, повышающими прочность и износостойкость.

4. Разработан, получен и исследован специальный износостойкий чугун новой марки ЧМН-35М с улучшенными прочностными и фрикционными свойствами на основе легирования и модифицирования серого чугуна марки СЧ35 никелем, молибденом и комплексным модификатором на основе кремния, марганца, циркония, бария, алюминия и кальция.

5. С учетом специфических свойств разработанного специального чугуна, использования средств цифрового электронного моделирования и инженерного анализа рассчитана и спроектирована новая конструкция фрикционного клина уменьшенной материалоемкости.

6. Разработана оснастка и впервые использована методика стендовых прочностных сравнительных испытаний и исследования напряженного состояния конструкции фрикционных клиньев различных модификаций.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в работе результатов и обоснованность выводов по проведенным исследованиям подтверждаются заключениями аккредитованных испытательных центров и лабораторий по испытаниям, выполненным с применением комплекса современного оборудования, метрологического обеспечения и использования апробированных методик исследований и испытаний.

Практическая ценность работы

1. Разработан комплект технологических инструкций, а также внедрены в ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» технические условия на получение специального модифицированного чугуна ТУ 0812-00110036140-2013 «Чугун легированный модифицированный марки ЧМН-35М», предназначенного для использования при изготовлении тяжело-нагруженных деталей тележек грузовых вагонов, в том числе фрикционного клина облегченной конструкции.

2. В ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» разработана конструк-торско-технологическая документация на производство фрикционного клина облегченной конструкции (чертеж ВАГР-0113.50.00.002 «Клин») и внедрены технические условия на его изготовление и приемку - ТУ ВАГР.667149.001ТУ «Клин фрикционный из чугуна легированного модифицированного для тележек грузовых вагонов».

3. Изготовлена опытная партия клиньев облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М и поставлена на пробеговые испытания.

4. Сформулирован технико-экономический принцип выбора материала для изготовления фрикционного клина гасителя колебаний тележек грузовых вагонов на основе оптимального соотношения их стоимости и долговечности (межремонтного пробега новых тележек и тележек последеповского и капитального ремонтов).

На защиту выносятся:

1. Результаты аналитических исследований структурообразования легированных и модифицированных серых износостойких чугунов с улучшенными прочностными свойствами.

2. Разработка химического состава, технологии получения и результаты лабораторных исследований образцов серого чугуна легированного.

3. Разработка химического состава, технология получения и результаты лабораторных исследований и механических испытаний образцов синтетического чугуна, легированного ферромолибденом, ферроникелем и обработанного различной массой модификатора 2-СИАРН®Т.

4. Результаты сравнительных исследований на износостойкость образцов специального чугуна марки ЧМН-35М и серого чугуна марки СЧ35.

5. Результаты стендовых сравнительных испытаний и исследований на износостойкость, прочностные и трибологические свойства разработанного фрикционного клина облегченной конструкции из специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М с серийными клиньями.

Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке целей и задач исследования, в выборе и разработке методик исследования, разработке состава легированного модифицированного чугуна, проведении лабораторных исследований и стендовых испытаний, разработке нормативно-технической документации, проектировании и инженерных расчетах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на международных научно-практических конференциях «Инновации в машиностроении» (Новосибирск, 2012 г.) и «Современная наука и образование: инновационный аспект» (Москва, 2013 г.); на XXII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения в сталях и сплавах» (Оренбург, 2014 г.); на литейной секции научно-технического совета ОАО «Алтайвагон» (Новоалтайск, 2013 г.); на научно-технических советах ОАО «ВРК-2» (Москва, Челябинск, 2012-2013гг.); на научно-технических совещаниях Департамента технической политики ОАО «РЖД» (2012-2013 гг.); на производственно-технических совещаниях заводов ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» и ООО «СибТрансМаш» (2012-2013 гг.); на Международной научно-практической конференции «Перспективы использования инновационных материалов и технологий в промышленности» (Москва, 2014 г.).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано восемь статей, в том числе шесть в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено три патента на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 91 наименования и шести приложений. Общий объём работы составляет 186 страниц, содержит 72 иллюстрации и 48 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведены аналитические исследования принципа работы, технических и силовых параметров, вариантов конструкций, материала изготовления и служебных свойств фрикционного клина га-

сителя колебаний тележки грузового вагона, представленных в работах следующих отечественных ученых: П.С. Анисимова, Ю.П. Бороненко, Б.В. Борща, A.B. Великанова, C.B. Вертинского, М.И. Глушко, В.Н. Данилова, Н.М. Ершова, В.П. Ефимова, H.A. Ковалева, H.H. Кудрявцева, В.А. Лазаряна, В.В. Лукина, A.A. Манашкина, E.H. Никольского, А.Н. Носова, A.M. Орловой, Н.П. Петрова, М.М. Соколова, В.Ф. Ушкалова, В.Д. Хусидова, И.И. Челнокова, Л.А Шадура, A.A. Эстлинга и других. Однако большинство исследований не учитывают ряда факторов, влияющих на технические и эксплуатационные характеристики фрикционного клина, и в первую очередь зависимость износостойкости, трибологических и прочностных характеристик клина от структуры и свойств материала, из которого он изготовлен, несмотря на то, что серийно применяются материалы только двух марок: сталь 20ГЛ (при новом вагоностроении, что составляет 14% от общего количества используемого фрикционного клина) и серый чугун СЧ25 (при проведении ремонтов - 84% от общего количества).

Выяснено, что к механическим свойствам, в большей степени оказывающим влияние на износостойкость фрикционных клиньев, относится твердость используемого материала. В качестве оценки влияния твердости на износостойкость материалов применяется методика, установленная в ГОСТ 23.225-99, основанная на сравнении износостойкости двух контактирующих поверхностей в условиях контактно-абразивного изнашивания, которая вычисляется по следующей формуле.

Е = с4ЩЩЦН^ + Н1г, (1)

где с - коэффициент пропорциональности;

#j, Н2 - твердости металлов двух контактирующих деталей, МПа; Яы НЪт - твердости металлов контактирующих эталонных деталей, МПа.

В процессе эксплуатации основной износ фрикционного клина происходит при его контакте с фрикционной планкой, поэтому в качестве основных материалов для такой пары трения используются материалы в следующем сочетании: серый чугун СЧ25 - сталь ЗОХГСА, сталь 20ГЛ -сталь ЗОХГСА.

Так, на основе статистического анализа фактической работоспособности в эксплуатации методом аппроксимации поверхностей ABOS (Approximation Based On Smoothing - Аппроксимация на основе сглаживания) пятидесяти пяти тысяч штук фрикционных клиньев (рис. 1, а, б), изготовленных из серого чугуна марки СЧ25, выявлена и формализована зависимость работоспособности (пробег и общий износ) данной детали от свойств применяемого материала (остаточная твердость).

Рис. 1. Статистический анализ фактической работоспособности фрикционных клиньев в эксплуатации: а - поверхность измерений; б - аппроксимированная поверхность измерений; в - диаграмма отношения средней приведенной твердости к пробегу (А — по среднему уровню твердости, В - по верхнему уровню твердости, С - по нижнему уровню твердости)

В частности, определено отношение износостойкости (пробега) фрикционного клина к остаточной твердости серого чугуна марки СЧ25 (рис. 1, в).

На основе анализа нормативно-технической документации на производство и эксплуатацию фрикционных клиньев узла гашения колебаний тележки грузового вагона, отчетов ФГУП ВНИИЖТ по ряду научно-исследовательских работ, связанных с повышением долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний и разработок принципиально новых конструкций и материалов в узлах трения тележек, а также изучения практики научно-исследовательских и промышленных предприятий и организаций по созданию новых технологий производства таких деталей, определены направления совершенствования фрикционных клиньев грузовых вагонов. Основным из которых является создание специального модифицированного износостойкого чугуна с высокими прочностными и триботехническими свойствами, а также совершенствование конструкции фрикционного клина (снижение материалоемкости).

Во второй главе описаны использованные в диссертации методики исследований, лабораторных и стендовых испытаний, в том числе разработанные впервые.

Химический анализ образцов осуществляли методом эмиссионно-спектрального анализа на установке 5ресЬго1аЬ-5. Металлографические исследования микроструктуры стали и чугуна проводили на оптических и электронных микроскопах при увеличениях от 100 до 10 ООО. Графитовые включения в чугуне оценивали по ГОСТ 3443-87.

Механические свойства образцов на растяжение из стали определяли по ГОСТ 1497-84 и чугунов по ГОСТ 24648-90 и ГОСТ 17208-87. Определение величины ударной вязкости проводили по ГОСТ 9454-78. Определение твердости - по ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75 и ГОСТ 9013-59, шкала С.

Оценку сравнительных триботехнических характеристик образцов материалов фрикционных клиньев проводили на машине трения МИ-1 типа Амслера. После испытаний исследовали механизм износа образцов. Условия испытаний на машинах трения позволили получить результаты, коррелирующие с данными стендовых испытаний фрикционных клиньев из различных материалов.

Впервые разработана методика и изготовлена оснастка для стендовых исследований по определению показателей конструкционной прочности фрикционных клиньев на испытательном стенде типа ЦДМ 200 ПУ (рис. 2), включающая в себя исследование напряженного состояния наиболее нагруженных зон и определение величины предельной (разрушающей) нагрузки с получением значений напряжений, возникающих в выбранных ранее точках фрикционных клиньев, изготовленных из различных материалов.

Стендовые испытания по воздействию циклической нагрузки испытательного стенда типа ЦДМ 200 ПУ на рессорно-пружинный комплект и фрикционный узел гасителя колебаний проводили на базе испытаний 1,0 млн циклов нагружения для каждого клина. При этом оценивали: величину линейного износа фрикционных клиньев и коэффициенты относительного трения узла гашения колебаний с имитацией груженого и порожнего вагонов на указанной базе испытаний.

Твердость клиньев измеряли по ГОСТ 9012-59 «Измерение твердости по Бринеллю» на твердомере ХПО-250 шариком диаметром 10 мм при испытательной нагрузке 3000 кг. Измерение производили на темпле-тах, вырезанных из опытных образцов после сошлифовки поверхностного слоя глубиной ~ 0,3 мм.

Определение микротвердости осуществляли по методу Виккерса и проводили на приборе ПМТ-3 в соответствии с требованиями ГОСТ 23677-79.

Рис. 2. Стендовые испытания по определению показателей конструкционной прочности: а - исследование напряженного состояния наиболее нагруженных зон; б - определение величины предельной нагрузки

Испытание на растяжение проводили по ГОСТ 27208-87 на разрывной машине БсЬепск-ЮО на образцах диаметром 10 мм пятикратной расчетной длины.

Микроструктуру чугуна фрикционных клиньев исследовали на шлифах, изготовленных из вертикальной стенки. Исследование проводили на инвертированном микроскопе АхюОЬ5егуегА1т (Саг12е18Б) при увеличениях 100 и 500.

Металлическую матрицу исследовали после травления шлифа 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты.

В третьей главе формализованы требования, предъявляемые к свойствам специального модифицированного чугуна, проведены аналитические и научно-практические исследования структурообразования серых износостойких чугунов при их легировании и модифицировании, разработан состав и технология выплавки молибдено-никелевого чугуна ЧМН-35М, полученного на основе комплексного модифицирования серого чугуна марки СЧ35, а также выполнен комплекс исследований образцов полученного материала.

Определено, что специальный модифицированный чугун должен обеспечивать следующие технические и эксплуатационные характеристики фрикционных клиньев: высокую износостойкость, достаточную для длительной работоспособности клина при его эксплуатации; повышенные прочностные свойства, снижающие материалоемкость конструкции фрикционного клина в пределах 20% от существующей и трибологиче-

ские свойства, соответствующие нормативным значениям коэффициентов относительного трения (0,08-0,16).

На основе аналитических исследований фазового состояния и структуры серых чугунов, описанных в трудах К.П. Бунина, Н.Г. Гиршо-вича, М.В. Желниса, М.И. Карпенко, B.C. Шумихина, определено, что в перлитных чугунах стабильные технологические и прочностные свойства, а также высокая износостойкость обеспечиваются металлической основой, состоящей из тонкопластинчатого перлита и равномерно распределенной фосфидной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита и цементита.

При изучении процессов легирования и модифицирования серых чугунов, изложенных в работах В.И. Архарова, Н.И. Бестужева, Ю.Г. Боб-ро, Я.Е. Гольдштейна, М.И. Карпенко, С.Н. Леках, В.Г. Мизина, Д.Н. Ху-докормова и др., установлено, что для существенного повышения механических свойств серых чугунов наиболее эффективным является комплексное легирование хромом, марганцем, молибденом, ванадием и никелем, при модифицировании специальными модификаторами на основе ферросилиция с высоким содержанием циркония, стронция, бария, церия, магния, редкоземельных и мишметаллов.

При оценке практической реализации легирования и модифицирования серых чугунов проанализирован ряд патентов на модификаторы для получения износостойких чугунов, с предпочтительным химическим составом и оказываемым воздействием на материал, в том числе патент РФ № 2316608, патент 21844791 РФ, патент 2366741 РФ и другие, из содержания которых установлено, что для отливок из серого доэвтектического чугуна, работающего в условиях повышенного износа, в качестве цирконий-содержащей добавки необходимо использовать диоксид циркония Zr02, в качестве кремнийсодержащей добавки диоксид кремния SiOr Взаимодействие Zr со свободным азотом формирует включения нитрида циркония, при этом снижается склонность металла к образованию газовых раковин.

Для комплексного модифицирования расплава в большинстве случаев принимается соотношение компонентов в следующей пропорции: Si02 35-45%, Zr02 35-45%; AI 10-20%.

При содержании элементов (%) Si 60-65; Мп 5-7; Zr 5-7 в серый чугун переходит 0,01-0,05% циркония, значительно повышая его механические характеристики, так как присутствие нитридов циркония в сером чугуне увеличивает число дополнительных центров кристаллизации графита, что приводит к его измельчению и, как следствие, уменьшению концентрации напряжений в материале. Такой модификатор изменяет распределение легирующих элементов между жидкой и твердой фазами в процессе первичной кристаллизации, приводя к росту доли перлита в

структуре металлической основы, что в свою очередь приводит к повышению износостойкости материала.

Для практической апробации результатов аналитических исследований по структурообразованию серых чугунов при их легировании и модифицировании проведена серия экспериментов по получению и исследованию вариантов легирования износостойких модифицированных чугунов, где за основу выбран серый чугун серийной марки СЧ35 (ТУ3183-234-1124323-2007).

Для проведения сравнительных исследований структуры и механических свойств специальных модифицированных чугунов с использованием легирующих добавок разработана рецептура легированного чугуна (табл. 1), и получены образцы серого чугуна марки СЧ35 (образец №1) и специального чугуна на основе серого чугуна марки СЧ-35, легированного никелем, ванадием, молибденом и фосфором (образцы №№ 2-4).

Таблица 1. Планируемый химический состав чугуна опытных вариантов

легирования серого чугуна

Номер варианта Массовая доля элементов, %

С Мп Р Б Сг № Си Мо V

1 2,9-3,2 1,2-1,5 0,7-1,0 <0,2 <0,12 <0,4 <0,4 <0,4

2 2,9-3,2 1,2-1,5 0,7-1,0 5 0,2 5 0,12 0,2-0,6 1,6-2,0 0,2-0,4 0,5-0,7

3 2,9-3,2 1,2-1,5 0,7-1,0 <0,2 <0,12 0,2-0,4 0,2-0,5 0,2-0,4 1,2-1,5

4 2,9-3,2 1,2-1,5 0,7-1,0 0,6-1,2 й 0,12 0,2-0,4 0,2-0,6

Экспериментальные плавки проводились по разработанным шихтовым листам. После расплавления шихты производили забор пробы на определение химического состава расплава. Содержание углерода определяли по ГОСТ 22536.1.

Фактический химический состав чугуна четырех вариантов образцов приведен в табл. 2.

Таблица 2. Фактический химический состав чугуна опытных легирования

вариантов легирования серого чугуна

Номер варианта Массовая доля элементов, %

С Мп Р 5 Сг № Си Мо V

1 3,24 1,59 0,69 0,040 0,014 0,11 0,04 0,08 0,03 0,002

2 3,36 1,54 0,82 0,036 0,012 0,15 1,56 0,34 0,005 0,60

3 3,12 1,56 0,83 0,045 0,012 0,17 0,39 0,19 1,18 0,006

4 2,87 1,44 0,74 0,754 0,009 0,12 0,39 0,14 0,03 0,010

Сопоставлением приведенных в обеих таблицах данных установлено, что фактическое содержание углерода во всех четырех вариантах образцов не соответствуют планируемым (в чугуне вариантов №№ 1, 2 завышено содержание углерода, в чугуне варианта № 4 с фосфором содержание углерода занижено); содержание кремния во всех четырех вариантах образцов либо отвечает, либо близко по установленному требованию 1,2...1,5%; содержание марганца полностью отвечает требованию к содержанию этого элемента в чугуне в пределах 0,7...1,02% для всех четырех вариантов образцов.

В чугуне опытных плавок получено высокое содержание легирующих элементов: в чугуне варианта № 2 - 1,56% N1, 0,34% Си и 0,60% V; варианта № 3 - 1,18% Мо и 0,39% №; варианта № 4 - 0,75% Р и 0,39% №.

Высокое содержание легирующих элементов привело к стабилизации аустенита и получению ледебуритной структуры чугуна во всех четырех вариантах его легирования.

Образцы из опытных плавок легированного чугуна имеют очень высокую твердость - 388...444 НВ (табл. 3), поскольку микроструктура чугуна этих образцов состоит в основном из цементита и ледебурита, а в чугуне плавки № 3 с молибденом присутствует мартенсит.

Таблица 3. Твердость и временное сопротивление чугуна опытных плавок

Номер плавки Твердость, НВ Напряжения разрушения, МПа

1 388 752

2 444 451

3 429 1279

4 388 479

Оценку формы и распределения графита проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры». На шлифах из пробных брусков обнаружено более однородное распределение междендритных включений пластинчатого графита (рис. 3, а, б).

Микроструктуру металлической основы исследовали на тех же шлифах, что и включения графита, после травления их 4% НЖ)3. В структуре металлической основы чугуна всех четырех плавок в пробных брусках присутствует ледебурит, т.е. эвтектическая смесь двух фаз - аустенита и цементита.

а б

Рис. 3. Микрострукрура опытных образцов до травления: а, б -междендритное пластинчатое перераспределение включений графита образцов № 1 и № 4 (хЮО)

В чугуне опытных плавок выявлены две разновидности ледебурита - сотовидный (4, а) и пластинчатый (рис. 4, б). Вблизи поверхности пробных брусков наряду с ледебуритом присутствует первичный цементит, а в нижележащих слоях, охлаждающихся с меньшей скоростью, -перлит и цементит (рис. 4, в).

где

Рис. 4. Микроструктура образцов после травления: а - сотовый ледебурит и перлит; 6 - пластинчатый ледебурит и перлит; в - перлит и цементит; г - перлит и фосфидная эвтектика; д - мартенсит и графит; е - перлит, мартенсит и графит (х500)

Цементит располагается как в виде самостоятельной фазы, занимающей значительную площадь шлифа, так и по границам перлитных колоний. В структуре образца № 4 в виде самостоятельной фазы присутствует фосфидная эвтектика (рис. 4, г). В структуре чугуна с молибденом (образец № 3) наблюдается мартенсит и графит (рис. 4, д, е).

Проведенные научно-практические эксперименты подтвердили результаты аналитических исследований, определили возможность получения серых чугунов с заданными свойствами и структурой, при этом в состав регламентируемого химического состава серого чугуна марки СЧ35 необходимо вводить композицию из расчетных легирующих и модифицирующих добавок никеля, молибдена, циркония, бария, кальция и алюминия, как элементов с высокой термодинамической активностью и специфическими физико-химическими свойствами.

На основе данных предложений разработан синтетический комплекснолегиро-ванный Мо и М чугун, обработанный специальным модификатором 2-СКАРНвТ марки ЧМН-35М (ТУ 0812-001-10036140-2013), с высокими механическими свойствами. Расчетный и фактический химический состав данного чугуна приведен в табл. 4, механические свойства даны в табл. 5.

Для оценки качества легированного модифицированного чугуна марки ЧМН-35М по ТУ 0812-001-10036140-2013 и его износостойкости проведен комплекс лабораторных исследований и стендовых испытаний.

По результатам проведенных исследований химического состава полученного молиб-дено-никелевого чугуна был рассчитан его усредненный химический состав (см. табл. 4 ).

Среднее значение твердости по результатам шести измерений составило 264-269 НВ (см. табл. 5).

Таблица 5. Механические свойства чугуна марки ЧМН-35М

Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее Твердость по Бринеллю

не менее не более

По ТУ

350 250 300

Фактические свойства

395,8 264-269

Рис. 5. Распределение микротвердости по поперечному сечению образца

Рис. 6. Макрошлиф площадью 1 см2, сетка с шагом 1 мм, х10

Среднее значение микротвердости (рис. 5) по площади шлифа 285 НУ100, что соответствует 282 НВ.

Установлено, что временное сопротивление разрыву при растяжении (а|5) чугуна фрикционных клиньев из чугуна марки ЧМН-35М составляет 395,8 МПа (см. табл. 5).

Расстояние от поверхности, глкм

При анализе трех участков макрошлифа (рис. 6), площадью 1 см2 установлено, что:

- распределение макропористости (светлые вкрапления) по площади шлифа имеет равномерный характер;

- на 1 мм2 площади расположено 3-10 пор размером 20-60 мкм. Анализ шлифов в нетравленом виде позволил идентифицировать

графитную фазу (рис. 7 а). В структуре чугуна - сетчатораспределенный пластинчатый графит завихренной формы длиной 60-120 мкм; количество включений графита 3%. В структуре металлической основы образцов из легированного чугуна наряду с перлитом (рис. 7, б) присутствует игольчатый феррит (малоуглеродистый бейнит) и цементит (рис. 7, в). При этом установлено, что:

- исследуемый чугун имеет перлитно-ферритную металлическую основу;

- 85% занимают перлитные области;

- 30% перлита с межпластинчатым расстоянием 0,8-1,3 мкм;

- 70% перлита с межпластинчатым расстоянием 0,3 - 0,8 мкм;

- 15% занимает феррит, насыщенный сеткой из отдельных карбидных включений, толщиной 1-5 мкм, длиной 5-30 мкм.

а б в

Рис. 7. Микроструктура образцов: а - пластинчатая завихренная форма включений графита, хЮО; б - перлит и игольчатый феррит, х500;

8 - включения цементита, х500

Характеристика структуры графита и металлической матрицы модифицированного чугуна по ГОСТ 3443 представлена в табл. 6.

Триботехническую оценку износостойкости материалов проводили при испытаниях каждой пары не менее двух раз, испытанию подвергали не менее 2 точек каждой пары трения.

Образцы в виде «звездочек» были изготовлены из серийного серого чугуна марки СЧ35 и специального никель-молибденового серого чугуна марки ЧМН-35М. Контр-телом при испытании «звездочек» из указанных выше материалов служили ролики, изготовленные из фрикци-

Таблица 6. Характеристика структуры чугуна 4МН-35М по ГОСТ 3443

Структурная составляющая Характеристика микроструктуры

Пластинчатый графит (ПГ):

форма включений Пластинчатая завихренная ПГф2

размер включений, мкм ПГд45 - ПГд90

распределение включений Смешанно-равномерное ПГр1 и участки неравномерного распределения ПГр2

площадь включений ПГ6

Металлическая основа Перлит П85

дисперсность ПД0.5

онных планок из стали ЗОХГСА и 25Х после закалки и отпуска. Результаты определения коэффициента трения и износостойкости (потери массы) «звездочек» и роликов указаны в табл. 7.

Таблица 7. Значения коэффициентов трения и массовый износ

Условный номер образца Материал и твердость по Бринеллю Коэффициент трения Износ, г

Ролик Звездочка

Ролик Звездочка

1-3 ЗОХГСА 361НВ СЧ35 235НВ 0,11-0,12 0,12 0,036 0,090

2-4 ЗОХГСА 355НВ СЧ35 225НВ 0,128-0,131 0,113-0,123 0,038 0,12

5-7 25Х 340 НВ ЧМН 270НВ 0,12-0,14 0,12-0,13 0,053 0,052

6-8 25Х 343Я5 ЧМН 255НВ 0,11-0,134 0,10-0,13 0,051 0,069

11-10 ЗОХГСА 361 НВ ЧМН 269НВ 0,11-0,12 0,109-0,12 0,042 0,054

12-9 ЗОХГСА 358НВ ЧМН 255НВ 0,111-0,12 0,10-0,12 0,038 0,061

16-13 25Х 325НВ СЧ35 225НВ 0,109-0,15 0,11-0,13 0,068 0,085

15-14 25Х 325НВ СЧ35 230НВ 0,112-0,13 0,11-0,13 0,073 0,093

Анализ величины износа роликов и звездочек показывает, что износостойкость звездочек из чугуна марки ЧМН-35М примерно в 1,5 раза выше, чем звездочек из чугуна СЧ35, что подтверждает возможность повышения износостойкости фрикционных клиньев из серого чугуна путем

использования технологии легирования серого чугуна молибденом и никелем в сочетании с модифицирующими добавками.

В четвертой главе на основе чугуна разработанной марки проведены работы по совершенствованию конструкции фрикционного клина средствами электронного моделирования, исследования прочности и трибологических свойств его физического прототипа.

Основным направлением совершенствования конструкции фрикционного клина является снижение его материалоемкости за счет использования повышенных прочностных свойств специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М.

В качестве исходного варианта конструктивного исполнения фрикционного клина принят широко используемый фрикционный клин проекта модернизации М1968 (чертежи №№ М1698.00.002 и М1698.00.003 «Клин фрикционный» и разработанные ОАО «ВНИИЖТ» технические условия ТУ3183-234-01124323-2007 «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов»). Твердотельное моделирование клина выполняли в инструментальной среде системы автоматизированного проектирования БоИс^огкБ. При создании ЗБ-модели детали в системе БоПс^огкз (рис. 8, а), получение окончательного решения обеспечивалось в результате последовательного уточнения ее текущего прочностного состояния, с использованием средств инженерного анализа методом конечных элементов.

Подготовка данных о конечно-элементной расчетной схеме, вычисления напряжений в элементах и узлах, распределение нагрузок в конструкции, а также создание и инженерный анализ расчетных схем производили с использованием прикладного программного обеспечения АЫБУБ \Vorkbenchl3, где для описания конструкции фрикционных клиньев использовались объемные десятиузловые конечные элементы. Расчетная модель состояла из 55 670 элементов и 87 343 узлов (рис. 8, б).

На основании проведенного инженерного анализа прочностных свойств фрикционного клина были получены в визуализированном виде значения напряжений, возникающие в его конструкции (рис. 8 в).

В соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм» оценку прочности фрикционного клина тележки грузового вагона производили с учетом одновременного действия усилий по расчетным режимам. В этом случае величина допускаемого напряжения для фрикционного клина, изготовленного из серого чугуна СЧ35 ГОСТ 1412, составляет 140 МПа. Анализ результатов инженерных расчетов позволил выявить наибольшие расчетные эквивалентные напряжения в элементах конструкции фрикционного клина в пределах 32,7 МПа, что составляет 23% от допустимых.

Рис. 8. Твердотельное моделирование фрикционного клина стандартной конструкции: а - ЗБ-модель детали в системе ЗоНсШЬ^«; б - объемные десятиузловые конечные элементы; в - визуализация значений напряжений

Проведенное твердотельное моделирование облегченной на 20% конструкции клина с выполнением инженерного анализа прочностных свойств специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М показало, что наибольшие расчетные эквивалентные напряжения, возникающие в вертикальных ребрах фрикционного клина облегченной конструкции, составляют 47,7 МПа.

Таким образом, полученная в результате усовершенствования конструкция фрикционного клина обеспечивает приемлемую конструктивную прочность (эквивалентные напряжения в усовершенствованной конструкции увеличились на 10,8%).

При определении величины напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев стандартной конструкции из стали 20ГЛ, серого чугуна марки СЧ25 и облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М, проведенное на испытательном стенде типа ЦДМ 200 ПУ с фиксируемыми значениями нагрузок - 200, 250, 300 кН, установлено, что:

- в месте установки датчиков наблюдаются только сжимающие напряжения, величина которых зависит от материала клиньев и их конструкции;

- существенного различия в величине сжимающих напряжений в технологических отверстиях фрикционных клиньев из стали 20ГЛ, чугуна марки СЧ25 и чугуна марки ЧМН-35М не выявлено;

- в фрикционных клиньях облегченной конструкции из легированного чугуна напряжения выше, чем в клиньях стандартной конструкции и из стали 20ГЛ и из серого чугуна марки СЧ25;

- при сравнении напряжений в состоянии «нагрузка» во внутренней перегородке фрикционных клиньев облегченной конструкции и во

внутренней перегородке клиньев серийной конструкции сжимающие напряжения достигают максимальных значений.

Проведенные исследования по оценке уровня напряжений в наиболее нагруженной при эксплуатации внутренней перегородке и в зоне технологических отверстий фрикционных клиньев, в зависимости от используемого материала, подтверждают результаты инженерного анализа их цифровых электронных моделей.

По результатам статических стендовых испытаний на разрушающую нагрузку фрикционных клиньев (рис. 9) стандартной конструкции из стали 20ГЛ и серого чугуна марки СЧ25 и облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М установлено, что:

- клинья стандартной конструкции из стали 20ГЛ и чугуна СЧ25 выдерживают максимально возможную для данного стенда нагрузку 600 кН без признаков разрушения;

- клин облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М разрушился при нагрузке 380 кН.

ч

\ ч «^226 кГ1: -340 6 кЫ: -4 МРа 8 МРо

N

О 50 100 150 2СО 2ЕО 300 Э50

кН

Рис. 9. Диаграммы напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев при испытания на разрушение: а - сталь 20ГЛ; б - чугун СЧ25; в - чугун ЧМН-35М

При этом следует иметь в виду, что стандартная конструкция фрикционного клина рассчитана на многократный запас прочности, величину которого на стенде воссоздать невозможно, поэтому была выбрана схема десятикратного увеличения усилия нагружения. Нагрузка прикладывалась к наклонной поверхности фрикционного клина через цилиндрический сегмент, и при плавном ее возрастании снимались значения напряжений в выбранных ранее точках. Таким образом, проведенные сравнительные испытания на разрушающую нагрузку на специально созданном стенде фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов, показали, что конструктивная прочность клина облегченной конструкции из чугуна ЧМН-35М выше, чем прочность клиньев в такой же конструкции из стали 20ГЛ и чугуна СЧ25 и многократно превышает необходимый ее запас.

По результатам стендовых испытаний по воздействию циклической нагрузки испытательного стенда типа ЦДМ 200 ПУ на рессорно-пружин-ный комплект и фрикционный узел гасителя колебаний, проводимых на базе испытаний 1,0 млн циклов нагружения, для каждого клина стандартной конструкции из серого чугуна СЧ35 и облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М установлено, что:

- по линейному износу фрикционные клинья из серого чугуна марки СЧ35, вследствие низкой твердости после 1 ООО ООО циклов нагружения (табл. 8) характеризуются наибольшими значениями износа вертикальной (1,71 мм, 2,60 мм) и наклонной (1,15 мм, 1,73 мм) поверхностей из всех испытанных клиньев (табл. 8);

- по линейному износу фрикционные клинья из модифицированного чугуна марки ЧМН-35М характеризуются высокой износостойкостью: износ наклонной поверхности клиньев составил 0,37 и 0,65 мм (в 2,7-3,1 раз меньше, чем из СЧ35), износ вертикальной поверхности составил 0,63 и 0,99 мм (в 2,6-3,0 раза меньше, чем СЧ35) (табл. 9).

Таким образом, результаты стендовых испытаний фрикционного узла показали, что они превосходят полученные ранее результаты испытаний образцов материалов на машине трения МИ-1 (по Амслеру) и подтвердили эффективность применения модифицирования и легирования серых чугунов в узле гашения колебаний тележки грузового вагона.

По результатам трибологических испытаний при статическом на-гружении стенда с клиньями из модифицированного чугуна марки ЧМН-35М с составными фрикционными планками и металлополимерными распределителями нагрузки до замыкания пружин, проведенные до начала циклических испытаний и после них (1000 000 циклов), показывают, что коэффициент относительного трения после циклических испытаний увеличился с 0,13 до 0,16 и полностью соответствует нормативным по-

Положение клина Число циклов N Наклонная поверхность, замеры по шаблону в контрольных точках Вертикальная поверхность, замеры по шаблону в контрольных точках

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 б 7 8

Правый 0 23,2 21,4 20,0 20,0 18,7 16,9 9,0 10,0 10,8 11,4 8,7 5,5 10,2 10,8

1 ООО ООО 24,7 22,8 21,3 21,0 19,3 17,8 10,0 11,2 12,3 12,5 11,2 12,3 13,5 14,5

Износ, мм 1,5 1,4 1,3 1,0 0,6 1,1 1,0 1,2 1,5 1,1 2,5 6,8 3,3 3,7

Среднее значение, мм 1,15 2,6

Левый 0 23,7 21,8 20,3 20,6 19,0 17,4 8,3 9,5 10,0 10,6 9,2 9,7 10,4 11,0

1 ООО ООО 25,2 23,3 21,8 22,5 20,7 19,7 9,5 11,0 12,3 12,6 9,6 11,0 12,4 13,6

Износ, мм 1,3 1,8 2,0 1,5 1,3 1,4 1,2 1,7 1,8 1,5 1,7 1,3 1,9 2,0

Среднее значение, мм 1,73 1,71

Таблица 9. Линейные износы фрикционных клиньев из серого чугуна марки ЧМН-35М

Положение клина Число циклов N Наклонная поверхность, замеры по шаблону в контрольных точках Вертикальная поверхность, замеры по шаблону в контрольных точках

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8

Правый 0 22,5 20,1 19,1 21,7 19,3 18,4 7,5 8,1 9,2 10,3 7,8 8,4 9,3 10,5

1 000 000 22,9 20,5 19,3 22,0 19,7 18,9 8,4 8,8 9,2 10,3 9,1 9,5 10,0 10,8

Износ, мм 0,4 0,4 0,2 0,3 0,4 0,5 0,9 0,7 0 0 1,3 1,1 0,7 0,3

Среднее значение, мм 0,37 0,63

Левый 0 22,5 19,8 19,2 21,8 19,5 18,4 7,3 8,0 9,0 10,5 8,3 9,0 8,8 10,1

1 000 000 23,4 21,1 20,3 22,0 19,6 18,7 9,8 9,8 10,3 10,6 9,5 9,0 9,8 10,1

Износ, мм 0,9 1,3 1,1 0,2 0,1 0,3 2,5 1,8 1,3 0,1 1,2 0 1,0 0

Среднее значение, мм 0,65 0,99

Коэффициент относительного трения в груженом режиме 9=0,13

а

1

и

у

/

X

У

л___

Коэффициент относительного трения в груженом режиме <£>=0,16 б

ложениям ГОСТ 9246-2004.

На рис. 10 представлены диаграммы определения коэффициента относительного трения в режиме нагрузки до начала циклических испытаний и после их проведения.

Рис. 10. Диаграмма определения коэффициента относительного трения в режиме нагрузки: а - до начала циклических испытаний; б - после проведения циклических испытаний

В пятой 2лаве приведено обоснование экономической эффективности применения фрикционных клиньев из модифицированного чугуна марки ЧМН-35М в сравнении с вариантом использования обычного клина чугуна СЧ35, при совокупных расходах собственника вагона на всем протяжении жизненного цикла тележки грузового вагона.

Годовой экономический эффект от внедрения фрикционных клиньев из специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М зависит от норм его сменяемости при ремонтах и от фактической эксплуатации подвижного состава и может составлять до 60 млн рублей в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное исследование причин недостаточной эксплуатационной стойкости материалов (стали 20ГЛ и чугуна СЧ25) фрикционного клина вагонной тележки, применяемых в настоящее время, разработаны состав специального модифицированного и легированного чугуна повышенной износостойкости и технология его изготовления, проведены испытания образцов и изделий из чугуна новой марки, на основании которых предложена облегченная конструкция фрикционного клина.

2. При анализе влияния механических свойств, структуры и химического состава стали 20ГЛ и серого чугуна СЧ25 на технические и служебные свойства фрикционного клина установлено, что основным фактором, определяющим износостойкость детали, является твердость материала. Показано, что конструктивная прочность клина имеет многократный запас, а его трибологические свойства, определяемые нормативным параметром - коэффициентом относительного трения, находятся в широком диапазоне применяемых материалов и в значительной степени зависят от внешних факторов эксплуатации фрикционных клиньев.

3. По результатам количественной оценки и статистического анализа экспериментальных данных суммарного износа вертикальной и наклонной поверхностей фрикционных клиньев, пробегу до очередного планового ремонта и средней остаточной твердости материала в зонах износа, выявлена характерная прямая зависимость пробега от приведенной остаточной твердости материала клина, послужившая основой для разработки нового материала фрикционного клина на основе серого чугуна марки СЧ35, имеющего наилучшие изученные базовые параметры по прочности, износостойкости и трибологическим свойствам.

4. На основе проведенных научно-практических экспериментов для улучшения механических свойств в состав регламентируемого химического состава чугуна марки СЧ35 были предложены композиция из расчетных легирующих и модифицирующих добавок никеля, молибдена, циркония, бария, кальция, алюминия и технология их введения в расплав, которые в соотношении с базовыми компонентами, существенно повлияли на процессы структурообразования литого чугуна, в том числе

на форму, размер и дисперсность образующихся ферритно-перлитных, графитных и других структурных составляющих.

5. Сравнительные испытания износостойкости разработанного чугуна марки ЧМН-35М и серого чугуна марки СЧ35 показали, что износостойкость образцов из чугуна марки ЧМН-35М в 1,5 раза выше, чем образцов из чугуна СЧ35, что подтвердило возможность повышения износостойкости фрикционных клиньев из серого чугуна путем использования технологий комплексного модифицирования и легирования серого чугуна молибденом, никелем и модифицирующими добавками.

6. С применением систем автоматизированного проектирования БоПс^ог!« и инженерных расчетов А^УБ МСогкЬепсЫЗ разработана конструкция, проведен прочностной анализ облегченной конструкции фрикционного клина с уменьшением его материалоемкости на 20%, а также выполнен полный комплекс конструкторско-технологических работ по технической подготовке производства данного изделия, с последующем получением модельных прототипов клина облегченной конструкции для проведения стендовых сравнительных испытаний.

7. Проведенные исследования по оценке уровня напряжений в наиболее нагруженных зонах предоставленных вариантов стандартной и облегченной конструкций фрикционных клиньев, изготовленных из различных материалов, подтвердили результаты инженерного анализа их цифровых электронных моделей, а статические стендовые испытания на разрушающую нагрузку фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции доказали многократный запас прочности клиньев новой конструкции.

8. Результаты стендовых сравнительных испытаний на износостойкость облегченных фрикционных клиньев, изготовленных из чугуна марки ЧМН-35М, и серийных фрикционных клиньев из серого чугуна марки СЧ35 подтвердили результаты оценки износостойкости образцов чугу-нов на машине трения МИ-1 (по Амслеру) и показали, что износостойкость клиньев из чугуна марки ЧМН-35М более чем в 1,5 раза выше, чем из чугуна СЧ35, а результаты стендовых испытаний на трибологические свойства облегченных фрикционных клиньев, изготовленных из чугуна марки ЧМН-35М, показали, что коэффициент относительного трения в нагруженном состоянии с учетом приработки находится в пределах от 0,13 до 0,16 и соответствует нормативным требованиям ГОСТ 9246-2004.

9. На основе проведенных исследований и испытаний опытных образцов фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкций разработаны и внедрены в ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» конструкторская документация, технические условия ТУ 0812-00110036140-2013 «Чугун легированный модифицированный марки ЧМН-

35» и ТУ ВАГР.667149.001ТУ «Клин фрикционный из чугуна легированного модифицированного для тележек грузовых вагонов». Изготовлена опытная партия клиньев облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М и поставлена на пробеговые испытания. Реальный экономический эффект от внедрения фрикционных клиньев из специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М при использовании только для грузовых полувагонов составляет около 60 млн рублей в год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Великанов A.B., Борщ Б.В., Габец A.B., Пашарин СМ. Разработка и совершенствование нормативных документов на производство деталей узла гашения колебаний тележек грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 2012. № 2. С. 31-34.

2. Борщ Б.В., Великанов A.B., Дудкина Т.П., Юрьева Е.И., Габец A.B. Качество и служебные свойства фрикционных клиньев узла гашения колебаний тележек грузовых вагонов, изготовленных из серого чугуна марки СЧ35: «Железнодорожный транспорт на современном этапа развития». Сб. трудов молодых ученых ОАО «ВНИИЖТ» М.: Интекст, 2013. С.278.

3. Габец A.B., Сухов A.B., Филиппов Г.А. Специальный модифицированный легированный чугун для фрикционного клина вагонных тележек // Литейное производство. 2014. № 4. С. 2-4.

4. Борщ Б.В., Габец A.B., Сухов A.B., Филиппов Г.А.. Повышение износостойкости фрикционных деталей из серого чугуна // Сталь. 2014. № 1. С. 66-68.

5. Габец A.B. Исследование прочности различных модификаций фрикционных клиньев тележки грузового вагона // Ползуновский вестник. 2013. № 4/2. С. 44-50.

6. Габец A.B. Специальный чугун для отливки фрикционного клина тележки железнодорожного вагона // Ползуновский вестник. 2013. № 4/2. С. 51-52.

7. Семенов A.B., Габец A.B. Целеполагание на основе визуализации экспериментальных данных при проведении инноваций на железнодорожном транспорте // Ползуновский вестник. 2013. № 4/2. С. 172-175.

8. Габец A.B., Сухов A.B., Сапетов М.В., Филиппов Г.А. Совершенствование фрикционного клина узла гашения колебаний тележки грузового вагона // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. № 1. С. 91-97.

9. Патент № 116821 РФ. «Фрикционный клин» // Габец A.B. 10.06.2012.

10. Патент № 128584 РФ. «Фрикционный клин» // Габец A.B. 27.05.2013.

11. Патент № 135300 РФ. «Фрикционный клин» // Габец A.B. 10.12.2013.

Подписано в печать 21.04.14. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 65 Отпечатано в ЗАО «Металлургиздат» 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

На правах рукописи

04201455776

ГАБЕЦ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО ЧУГУНА ПОВЫШЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЛЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

05.16.01 — Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Филиппов Г.А.

Москва - 2014

Содержание

Введение 5

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8

1.1 Роль фрикционного клина в работе узла гашения

колебаний тележки грузовых вагонов 8

1.1.1 Принцип работы, технические и силовые характеристики 1О

1.1.2 Конструкция, материал и служебные свойства фрикционных клиньев 14

1.1.3 Анализ факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики фрикционного клина гасителя колебаний 22

1.2 Анализ эксплуатационных свойств фрикционного клина на основе экспериментальных данных 30

1.2.1 Количественная оценка экспериментальных данных 31

1.2.2 Статистический анализ экспериментальных данных 34

1.2.3 Комплексный анализ обработанных данных 39

1.3 Пути повышения технических и эксплуатационных

свойств фрикционных клиньев 44

1.3.1 Фрикционные клинья из серого чугуна 44

1.3.2 Стальные фрикционные клинья 46

1.3.3 Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна 48

1.4 Основные выводы. Цель и задачи исследования 48 Глава 2 Методики оценки свойств материала и

эксплуатационных характеристик фрикционных клиньев 51

2.1 Методики исследования свойств материала фрикционных клиньев 51

2.1.1 Лабораторные исследования химического состава, структуры и механических свойств 52

2.1.2 Стендовые сравнительные исследования на износостойкость 55

2.2 Методики исследования прочностных свойств и износостойкости фрикционных клиньев

2.2.1 Стендовые испытания на прочность

2.2.2 Стендовые испытания на износостойкость и трибологические свойства

Глава 3 Разработка, получение и исследование специального модифицированного чугуна с заданными свойствами

3.1 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании

3.1.1 Влияние легирующих элементов на свойства серого чугуна

3.1.2 Модифицирование серого чугуна

3.2 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании

3.2.1 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35 и легированного чугуна на его основе

3.2.2 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35, легированного № и Мо с использованием модификаторов <^-011АРН®Т» и «Р20»

3.3 Исследование чугуна легированного молибденом, никелем и обработанного модификатором <^-011АРН®Т»

3.3.1 Получение опытных образцов

3.3.2 Лабораторные исследования образцов из чугуна ЧМН-

35М

3.3.3 Стендовые сравнительные исследования образцов из чугуна ЧМН-35М на износостойкость

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Исследование прочностных и трибологических свойств фрикционных клиньев

4.1 Совершенствование конструкции фрикционного клина

4.1.1 Цифровое электронное макетирование и инженерный

анализ конструкции серийного фрикционного клина 112

4.1.2 Цифровое электронное макетирование и инженерный

анализ облегченной конструкции фрикционного клина 119

4.2 Исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев 122

4.2.1 Определение величины напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов 123

4.2.2 Статические стендовые испытания на разрушающую нагрузку фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов 130

4.3 Стендовые сравнительные испытания фрикционных

клиньев на износостойкость и трибологические свойства 141

4.3.1 Сравнительный анализ износостойкости фрикционных клиньев из модифицированного чугуна ЧМН-35М с серийными 142

4.3.2 Определение коэффициента относительного трения пар трибосочетания с использованием фрикционных клиньев из чугуна марки ЧМН-35М 144

4.4 Выводы по главе 145 Глава 5 Технико-экономическая эффективность 147 Заключение 153 Список литературы 156 Приложение А. ТУ на материал 164 Приложение Б. ТУ на облегченный клин 172 Приложение В. Чертеж облегченного клина 183 Приложение Г. Патент 184 Приложение Д. Патент 185 Приложение Е. Патент 186

Введение

В современных условиях роста промышленного производства и увеличения грузоперевозок в Российской Федерации все большее значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одним из основных направлений ее повышения является минимизация затрат на обслуживание и ремонт грузовых вагонов. В то же время, значительное количество отцепок вагонов, приводящее к длительным простоям и частым трудоемким ремонтам, происходит по причине неисправности ходовых частей.

Основным узлом тележки грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскости, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний. Работоспособность деталей, входящих в этот узел, является основным фактором, влияющим на величину межремонтного пробега тележки грузового вагона. При этом фрикционный клиновой гаситель колебаний в процессе эксплуатации характеризуется нестабильностью работы. Создаваемая им сила трения для гашения вертикальных и горизонтальных колебаний кузова вагона со временем уменьшается вследствие износа рабочих поверхностей фрикционного клина, контактирующих с опорной поверхностью надрессорной балки и поверхностью фрикционной планки, что приводит к увеличению динамических сил, действующих на вагон и путь.

Решение указанной проблемы связано с повышением износостойкости и долговечности элементов фрикционного клинового гасителя колебаний. При этом одной из важнейших и актуальных задач является обеспечение необходимых эксплуатационных свойств этого узла, с целью повышения работоспособности гасителя колебаний и значительного увеличения межремонтного пробега грузовых вагонов. Исходя из этого, исследования, направленные на совершенствование тележки грузовых вагонов и ее компонентов, являются актуальными и вытекают из первоочередных задач, которые стоят перед железнодорожным транспортом страны.

Особый интерес у исследователей вызывает конструкция и материал фрикционного клина, являющегося быстро изнашиваемой деталью. Как правило, средний пробег у фрикционных клиньев из серого чугуна до замены составляет чуть более 100 тысяч километров со средним износом (потерей массы) по вертикальной и наклонной стенкам в среднем до 15-20% от общей материалоемкости клина. Годовая потребность в этом виде расходных материалов, только при деповских ремонтах, составляет более полутора миллионов штук. При этом приблизительно 4 тысячи тонн чугуна безвозвратно теряется при истирании фрикционного клина. Исходя из этого, разработка новых материалов для фрикционных клиньев, включая совершенствование конструкции, оптимизацию химического состава, физико-механических и трибологических свойств, а также прогнозирование работы гасителя колебаний в различных условиях эксплуатации, имеют важное значение.

При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надежности фрикционных клиньев становится необходимым обеспечение рациональной литой структуры чугуна за счет использования модифицирования и микролегирования. При этом необходимо рассматривать устойчивые состояния количественных и качественных показателей структурного и фазового состава литого металла в условиях нормируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отливки, где учет экономических требований приводит к требуемым свойствам при минимальной себестоимости ее получения. Такие технологии должны позволять получение рациональной структуры литого металла без кардинального технического перевооружения литейных цехов при сохранении существующих технологий выплавки чугуна и формообразования отливок, обеспечивая весь комплекс требуемых механических и специальных свойств чугунов.

Целью настоящего исследования является разработка и внедрение специального модифицированного чугуна и способа его получения для

производства фрикционных клиньев с повышенными служебными свойствами в современных условиях эксплуатации.

В диссертации, изучены эксплуатационные свойства клиньев, полученных с применением комплексного модифицирования серого чугуна при использовании лигатуры на основе никеля, ванадия и молибдена, а так же проведены экспериментальные плавки высокофосфористого чугуна. Разработан и внедрен способ получения модифицированного чугуна с заданными свойствами. Изготовлены опытные партии фрикционных клиньев из специального модифицированного чугуна, проведены лабораторные и стендовые сравнительные испытания с серийно изготавливаемыми клиньями из серого чугуна.

Выявлены и систематизированы зависимости влияния механических свойств, химического состава и структуры различных материалов фрикционных клиньев на их трибологические и прочностные характеристики и служебные качества.

Выполнена работа по совершенствованию конструкции фрикционного клина на основе цифрового электронного макетирования, с использованием разработанного алгоритма определения прочностных свойств цифрового электронного макета облегченного варианта фрикционного клина методом конечных элементов в системе ANS YS.

Проведена физическая апробация цифрового электронного макета клина средствами стендовых прочностных статических сравнительных испытаний по разработанной методике.

Установлено, что экономическая эффективность внедрения облегченного фрикционного клина из специального модифицированного чугуна, изготовленного по разработанному способу его получения, составит за счет улучшения эксплуатационных характеристик и экономии материала при производстве продукции до 60 млн. руб. в год.

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1 Роль фрикционного клина в работе узла гашения колебаний тележек грузовых вагонов

Рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний является основным узлом трехэлементной тележки грузового вагона (рисунок 1.1) и предназначено для снижения амплитуды колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

При движении вагона по периодическим неровностям пути со скоростью, когда частоты вынужденных собственных колебаний близки по величине, могут возникать большие амплитуды колебаний кузова на рессорах (резонанс), в том случае, если в системе рессорного подвешивания отсутствуют или малы силы 4 сопротивления. Поэтому, для гашения резонансных колебаний в систему рессорного подвешивания вводят специальные гасители, которые позволяют снизить амплитуды и ускорения колебательного движения, а следовательно уменьшить воздействие динамических сил на элементы вагона и перевозимый груз.

Рисунок 1.1- Трехэлементная тележка грузового вагона

В современном вагоностроении Российской Федерации наиболее широко используются трехэлементные двухосные тележки различных модификаций, разработанные на базе модели 18-100 ГУП «ПО»УРАЛВАГОН» [1-4].

В двухосных тележках типа 18-100 фрикционный гаситель колебаний (рисунок 1.2) состоит из двух клиньев, размещенных между наклонными поверхностями концов надрессорной балки и фрикционными планками, закрепленными на колонках боковой рамы тележки. Клинья опираются на двурядные цилиндрические пружины.

Рисунок 1.2 - Фрикционный гаситель колебаний тележки модели 18-100

В тележке модели 18-100 и в ее аналогах применяются клиновые фрикционные гасители, колебаний с силой трения, пропорциональной прогибу рессорного комплекта (рисунок 1.2, график). Гаситель колебаний обладает нестабильностью работы в процессе эксплуатации. Создаваемая им сила трения для гашения вертикальных и горизонтальных колебаний кузова вагона со временем уменьшается вследствие износа трущихся поверхностей гасителя колебаний и опорных поверхностей надрессорной балки.

По условиям обеспечения надежного сцепления автосцепок груженого и порожнего вагонов статический прогиб рессорного комплекса в настоящее время не может быть больше 50 мм. Поэтому основное внимание должно быть уделено повышению стабильности работы гасителя колебаний.

В соответствии с регламентирующими документами [5,6], статический прогиб рессорного подвешивания от тары — 8 мм, от массы брутто — 46 -50 мм, коэффициент относительного трения гасителя колебаний составляет —

Боковая

рама тележки

Фрикционная планкз

Пружина

0,08-0,16.

1.1.1 Принцип работы, технические и силовые характеристики

Работа клиновых фрикционных гасителей колебаний [7-12] заключается в следующем. В статике он находится в равновесии, а линии действия нормальных сил N и Т (рисунок 1.3) и реакции подклиновой пружины Р, пересекаются в точке О. Поэтому, при движении вагона силы трения ^ и Т2 будут создавать моменты относительно точки О, и будут стремиться поворачивать клин либо по часовой, либо против часовой стрелки, в зависимости от направления действия сил при нагрузке и разгрузке рессорного комплекса, а следовательно и фрикционного клина. Вращение фрикционного клина относительно полюса трения О приводит к нестабильности работы гасителя колебаний и к ухудшению динамического качества и воздействия его на путь.

Гаситель колебаний тележки гасит вертикальные и горизонтальные поперечные колебания кузова вагона за счет работы вертикальной и горизонтальной составляющих сил трения на одной трущейся поверхности. При вертикальных колебаниях надрессорной балки совместно с обрессоренными массами вагона фрикционные клинья перемещаются вверх и вниз относительно фрикционных планок. В результате между клиньями и планками возникают силы трения, создающие сопротивление колебательному движению. Сила трения, создаваемая гасителем колебаний в вертикальном

направлении, в большей степени зависит от нормального давления на трущиеся поверхности клина и от коэффициента трения между трущимися поверхностями гасителя колебаний.

Так как клиновой гаситель колебаний имеет несимметричную силовую характеристику (силы трения при разгрузке рессорного комплекта больше, чем при его нагрузке), аналитические исследования зависимости сил трения от нормального давления и коэффициента трения между трущимися поверхностями по условиям равновесия рассматриваются отдельно при его нагрузке и разгрузке (рисунок 1.4), где N и N1 - воздействие нормальных давлений на поверхности клина, силы реакции подклиновой пружины Р^ и силы трения Б и Б] между трущимися поверхностями.

а) б)

Рисунок 1.4 - Расчетная схема фрикционного гасителя колебаний: а - нагрузка клина; б - разгрузка клина

При проекции всех сил на оси X и У система равновесия будет выглядеть следующим образом.

При нагрузке рессорного комплекта: Г^созв+Еэтв-^ Бтб+Е совбИ)

Н II 1Н 1 н

N втв-Р собв+М. соБб+Е ятб-Р =0

И Н 1п 1Н к

При разгрузке рессорного комплекта: ^совв-Ррвтв-^ втб-^совбИ)

^втв+ЕрСОЗв-Г^рСОзб-Р^тб-Р^О

Силы трения при нагрузке клина:

Силы трения при разгрузке клина:

ц. - коэффициент трения между вертикальными поверхностями клина и фрикционной планки;

ц.1 _ коэффициент трения между опорными наклонными поверхностями клина и надрессорной балки.

При расчетах технических характеристик клиновых гасителей колебаний используют вместо силы трения Б коэффициент относительного трения ср, который представляет собой отношение силы трения, создаваемой гасителем колебаний, к полной силе, совершающей работу за один период колебания кузова вагона. При этом для расчетов коэффициента ср учитываются только Рн и Рр> так как сила трения создается в основном на вертикальных поверхностях трения фрикционного клина и фрикционной планки.

В результате приведения силовых нагрузок и сил трения на вертикальных поверхностях при цикле нагрузки и разгрузки коэффициент относительного трения ф, определяется как м

Работа сил трения гасителя колебаний в процессе эксплуатации вагона [13-16] неизбежно вызывает износ трущихся поверхностей клинового гасителя колебаний. В результате этого происходит подъём или завышение клина гасителя колебаний и он располагается выше опорной поверхности надрессорной балки, которой она опирается на основные подклиновые пружины.

Занижение клина гасителя колебаний при постройке тележки делается с целью замедления темпа нарастания его завышения вследствие износа трущихся поверхностей клинового гасителя колебаний. При занижении клина коэффициент относительного тр�